在人员密集和一些重要场所,人们希望光缆具备耐火的功能,如地铁、隧道、医院、油库、体育场馆、战场、重要军事设施、保密单位、数据中心等,但目前市场上大部分常规结构和常规材料的光缆均难以满足真正耐火的要求。所谓耐火光缆,是指在一定工作条件下,光缆被火燃烧,但在规定时间内还能继续维持或保证正常通信的功能。根据国家或国际标准,光缆在750℃火焰(丙烷气体)下燃烧90分钟,冷却15分钟后测试每一根光纤的传输性能。在试验过程中,发现难度最大的并不是燃烧过程中光纤断裂,而是冷却阶段光纤因热胀冷缩而脆断。当然,也有燃烧过程中烧剩的裸玻璃光纤被光缆其他材料的灰烬砸断的现象。
光纤玻璃材质的熔化温度接近2000℃,然而光缆中很多材料却容易燃烧,如光纤保护涂层、着色料、填充油膏、二次被覆材料以及外护层材料等,除非材料和结构发生颠覆性的改变,否则无法保证光缆在火焰中长时间燃烧而不损坏。目前很多的研究局限于外保护层材料的耐火或阻燃特性,以使光缆具备不延燃及阻燃的特点。
所谓不延燃,就是在规定试验条件下,试样(材料)被燃烧,在撤去试验火源后,火焰的蔓延仅在限定范围内,残焰或残灼在限定时间内能自行熄灭。它的根本特性:在火灾情况下有可能被烧坏,但可阻止火势的蔓延。光电缆最典型的不延燃材料就是聚氯乙烯(PVC)。在火灾情况下,采用PVC外护套的电缆可以做到不延燃,但光缆因为填充了石油膏以及含有其他易燃的高分子材料,火焰会快速蔓延,因而松套结构的光缆外护套即使是PVC材料,也是很难实现不延燃的。
阻燃性,是指材料所具有的减慢、终止或防止有焰燃烧的特性,当明火去除后,燃烧会自行熄灭。根据熄灭时间的长短,电缆材料分UL94V0级、UL94V1级、UL94V2级以及UL94 HB级等不同的阻燃规格。目前最好的是UL94规定的V0级,要求对电缆样品进行两次10秒的燃烧测试后,火焰在30秒内熄灭,且不能有燃烧物掉下。阻燃材料是通过在材料中添加阻燃剂来实现,目前主要有有机、无机以及卤素、非卤等材料。有机阻燃剂是以溴系、氮系和红磷及化合物为代表的一些阻燃剂,无机阻燃剂主要是三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝,硅系等阻燃体系。
就燃烧性能来讲,除了以上两类材料外,还有一类不燃材料。不燃材料是指在受到火焰或高温作用时,不着火、不冒烟、也不被烧焦,它包括所有天然的材料如料石、砂和黏土以及人工制成的无机材料和所有的金属材料。除钢铝铜等金属制作成铠装、保护材料外,其他的这些材料基本不能直接用于光缆上作为保护材料,所以没有必要加以讨论。
常规结构、常规材料的光缆实际上是无法做到绝对的耐火,否则所花费的代价或成本是客户无法承受的,也不具有推广的价值,譬如采用金属涂层的光纤以及超常规的保护。
通信光缆,不管是架空、管道还是直埋结构,以及由此扩展出来的缆型,基本无法通过耐火试验。因为当火焰持续燃烧时,除钢带以及中心加强钢丝等材料耐火烧以外,铝会被熔化,其他非金属材料则全部化成灰烬,哪怕性能多么优异的阻燃或不延燃材料,最后剩下的仅仅是钢带骨架和中心钢丝加强件,石英材质的光纤一般也随其他材料一起摔断了。钢带铠装,不管几层结构,由于采取的是纵包搭接,火焰喷射时,搭接部分要么被膨胀的缆芯撑开火焰长驱直入,要么钢带里面的材料因为高温会直接燃烧起来。特别是当松套管以及缆芯之间存在阻水油膏时,燃烧会更加剧烈。
人们也尝试采用云母带或石棉带绕包,以期达到耐火的目标。实际上,这两种材料在电缆中起到的作用是隔离绝缘作用,防止绝缘层或护套烧毁后,各相导体之间短路,发生重大安全事故,不能燃烧的云母带/石棉带在一定时间内起到绝缘保护作用。而对光缆,不导电,也无须绝缘,包裹在这两种材料里面的非金属材料很快被燃烧,特别是云母带和石棉带的粘合物质烧毁后,这两种物质的粉末或块状物极有可能坠落砸断裸光纤。所以本身结构或材料不耐火的光缆,在缆芯里面绕包云母带或石棉带是一种浪费。石棉因是高致癌物,在线缆行业已不允许使用了。(www.xing528.com)
图8.3.1 耐火光缆示意图
设计耐火光缆,要点是确保燃烧试验全过程中光纤不移动位置,不被其他物质伤害,否则试验失败的可能性非常高。当然,如果结构设计中能够帮助光纤阻隔氧气,这样即使在高温条件下,大部分物质也就只能是熔化、炭化或气化,也是一个理想的办法。因为试验成功的案例太少,作者也仅能推荐一种经过试验验证的耐火光缆结构。如图8.3.1所示,其光单元为无缝不锈钢管。这种光缆结构简单,特别是成本低,很容易被客户接受。在火焰持续燃烧时,缆芯中除不锈钢管外,其他材料基本被烧完。但因为不锈钢管密封,火焰无法抵达光纤。在高温下,钢管中油膏的石油成分早已挥发,最后仅剩下微量的无机物和炭化的有机物,光纤涂层也已经炭化,但不影响光纤的传输特性。
光缆中除不锈钢管光单元外的其他材料,主要是考虑使用环节对光缆的保护,而与耐火性能基本无关。由此结构引申出的采用不锈钢管作为光单元的其他类似结构,同样可以起到耐火的作用,比如图8.3.2所示的钢丝铠装不锈钢管光单元结构光缆。这种结构的光缆以金属材料为主,在不需考虑感应电以及雷电等环境下,非常有用。
这几种光缆的工艺在前面基本已经介绍过,在此不再重复。
图8.3.2 钢丝铠装耐火光缆
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